Ⅲ. АТОМНАЯ ЭНЕРГИЯ
Как известно, ядра всех атомов, за исключением легкого водорода, состоят из нейтронов и протонов. Нейтроны и протоны в ядре прочно связаны друг с другом, поэтому разрушить ядро очень трудно. Тем не менее удается осуществить ядерные реакции, то есть такие реакции, при которых ядра атомов одних химических элементов превращаются в ядра атомов других химических элементов или изотопные ядра. Ядерные реакции осуществляются под действием протонов, нейтронов, дейтронов, альфа-частиц и т. д. В большинстве случаев необходимо, чтобы перечисленные выше частицы имели очень высокую энергию.
Чтобы расщепить ядро атома на протоны и нейтроны, необходимо затратить большую энергию. Наоборот, в случае соединения протонов и нейтронов с образованием ядра атома будет происходить выделение энергии. Закон сохранения энергии говорит, что энергия не может исчезнуть и не возникает из ничего, а лишь переходит из одной формы в другую. Согласно этому закону энергия, которую необходимо затратить на то, чтобы разложить ядро атома на протоны и нейтроны, равна энергии, выделяющейся при образовании этого ядра из протонов и нейтронов. Такая энергия называется полной энергией связи ядра атома. Если ее разделить на число протонов и нейтронов в ядре, то получится средняя энергия связи нуклона (протона или нейтрона) в ядре, приходящаяся на один нуклон.
Для того чтобы подсчитать энергию связи ядра, можно воспользоваться уравнением Эйнштейна, определяющим взаимосвязь массы и энергии:
(энергия=масса×скорость света×скорость света).
Гению великого русского ученого М. В. Ломоносова принадлежит открытие одного из основных законов природы — закона сохранения веса веществ. По определению Ломоносова вес веществ, вступающих в химическую реакцию, равен весу веществ, получающихся в результате реакции. Однако в процессах, происходящих с веществом, масса может изменяться, но при этом изменяется и запас энергии вещества.
Если мы нагреем тело или, толкнув, заставим его двигаться, то, придавая телу движение, мы увеличим его массу. Наоборот, если тело передает энергию другому телу, то оно само потеряет некоторую массу и эту массу приобретет другое тело. С помощью уравнения взаимосвязи можно подсчитать величину изменения массы вещества при изменении его энергии и, наоборот, величину передаваемой телом внешней среде энергии при изменении массы вещества. Так, если 1 тонну воды нагреть от 0° до 100°, то масса воды вырастет на величину, эквивалентную 100 миллионам калорий, то есть на 0,004 миллиграмма. Изменение массы так мало, что определить его на опыте очень трудно.
Относительное изменение массы при ядерных реакциях велико, поэтому оно может быть определено на опыте. Так, при бомбардировке лития протонами происходит превращение его в гелий по уравнению:
Сумма масс ядра атома лития и протона составляет 8,02634, а масса двух ядер атомов гелия — 8,0078 атомных единиц массы; следовательно, масса продуктов реакции на 0,01854 атомных единиц массы, или 3,07∙10-26 грамма массы, меньше массы исходных ядер атомов лития и водорода. Такая масса эквивалентна 27 миллионным долям эрга[5]. Этой энергией должны обладать ядра атомов гелия. Измерения показывают, что энергия каждого ядра гелия равна 13,6 миллионным долям эрга, а обоих ядер приблизительно 27 миллионным долям эрга, то есть равна энергии, вычисленной по уравнению взаимосвязи массы и энергии.